核磁共振是指一個射頻場引起有磁矩的原子核與外磁場相互作用而產生的磁能之間的躍遷。核磁共振波譜儀是基于核磁矩不等于零的原子核,在靜磁場作用下,對穩定頻率電磁波的吸收現象來研究物質結構的一種工具。分析工作者從共振峰的數和相對的強度、化學位移和弛豫時間等參數進行物質結構分析。
一、核磁共振的定義
核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)是磁矩不為零的原子核,在外磁場作用自旋能級發生蔡曼分裂,共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。并不是是所有原子核都能產生這種現象,原子核能產生核磁共振現象是因為具有核自旋。原子核自旋產生磁矩,當核磁矩處于靜止外磁場中時產生進動核和能級分裂。在交變磁場作用下,自旋核會吸收特定頻率的電磁波,從較低的能級躍遷到較高能級。這種過程就是核磁共振。
二、發展現狀
二十世紀后半葉,NMR技術和儀器發展十分快速,從永磁到超導,從60MHz到800MHz的NMR譜儀磁體的磁場差不多每五年提高一點五倍,這是被NMR在有機結構分析和醫療診斷上特有功能所促進的。現在有機化學研究中NMR已經成為分析常規測試手段,同樣,在醫療上MRI(核磁共振成像儀器)亦成為某些疾病的診斷手段。
1953年:美國Varian公司第一臺NMR譜儀(30MHz)
1964年:美國Varian公司第一臺超導NMR譜儀(200MHz)
1971年:日本JEOL公司第一臺超導傅里葉變換NMR譜儀(計算機用于NMR譜儀,使NMR技術有了質的飛躍發展)。
三、基本原理
1) 原子核的基本屬性
a.原子核的質量和所帶電荷 ——是原子核的最基本屬性。
b.原子核的自旋和自旋角動量 ——量子力學中用自旋量子數I描述原子核的運動狀態。原子核的自旋運動具有一定的自旋角動量;其自旋角動量也是量子化的,它與自旋量子數 I 間的關系為:
各種核的自旋量子數
質量數A | 原子序數Z | 自旋量子數I | 自旋核電荷分布 | NMR訊號 | 原子核舉例 |
偶數 | 偶數 | 0 | — | 無 | 12C6、16C8、32S16 |
奇數 | 奇或偶數 | 1/2 | 球形 | 有 | 1H1、13C6、19F9、15N7、31P15 |
奇數 | 奇或偶數 | 3/2、5/2等 | 扁平橢球形 | 有 | 17O8、33S16 |
偶數 | 奇數 | 1、2、3等 | 扁平橢球形 | 有 | 2H1、14N7 |
其中,I=1/2的核(1H、13C)電荷呈球形分布,核磁共振現象較為簡單,是核磁共振研究的主要對象。
c.原子核的磁性和磁矩
d.原子核的磁旋比:是原子核的基本屬性之一,核的磁旋比越大,核的磁性越強。
2)磁性核在外磁場(B0)中的行為
a.原子核的進動
當磁核處于一個均勻的外磁場B0中,核因受到B0產生的磁場力作用圍繞著外磁場方向作旋轉運動,同時仍然保持本身的自旋。這種運動方式稱為進動或拉摩進動。
b.原子核的取向和能級分裂
3)核磁共振產生的條件
當外界電磁波提供的能量正好等于相鄰能級間的能量差時,核就能吸收電磁波的能量從較低能級躍遷到較高能級,被吸收的電磁波的頻率為:
4)馳豫(relaxation)
事實上在核磁共振中,高能級的核實通過“弛豫”過程回到低能級的。也就是說,原子核在磁場中進動,產生能級裂分,受到電磁波的照射,發生共振,吸收能量,當電磁波的照射停止后,原子核通過“弛豫”過程回到初始狀態。
在物理學上把某種平衡狀態被破壞后,而又恢復到平衡的過程稱為弛豫。在核磁共振中,弛豫過程分兩類,一類是自旋-晶格馳豫,另一類是自旋-自旋馳豫。